Los investigadores del Clúster de Excelencia de e-conversion estudian formas de mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la conversión de energía. Su trabajo se inspira en el principio de la fotosíntesis.
Estamos en el año 2040 y en los tejados de los edificios de apartamentos, fábricas y rascacielos brillan los componentes de un sistema revolucionario que capta la luz del sol y extrae dióxido de carbono (CO2 ) de la atmósfera. Los componentes contienen materiales de alta tecnología que generan energía solar y, al mismo tiempo, la ponen a disposición para reacciones químicas. Sin necesidad de baterías de almacenamiento ni otras etapas intermedias, el sistema convierte el dióxido de carbono perjudicial para el clima en combustibles ecológicos como el hidrógeno (H2 ) y productos químicos básicos importantes para la industria. El único subproducto “desecho” del proceso es el oxígeno.
Para acercar esta visión de futuro a la realidad, los investigadores del Clúster de Excelencia e-conversion están emulando el principio de la fotosíntesis. Su investigación se centra en el desarrollo de materiales conocidos como fotocatalizadores que tienen las características requeridas y sistemas que funcionan como hojas artificiales.
Comprender y mejorar los catalizadores
El sol envía a la Tierra unos 944 millones de teravatios hora de energía cada año. Una pequeña fracción de esa cantidad cubriría todas las necesidades energéticas actuales de nuestro planeta. “En la actualidad, la energía solar se utiliza principalmente para producir energía calentando agua o para generar electricidad en sistemas fotovoltaicos. Ambas formas de producción de energía se pueden utilizar con fines industriales en un segundo paso”, explica el profesor Ian Sharp, científico de materiales de la TUM y coordinador del clúster de excelencia e-conversion. “Pero los fotocatalizadores pueden hacer más que eso: pueden proporcionar energía solar directamente para generar reacciones químicas”.
Aunque la fotosíntesis natural es una fuente de inspiración para los investigadores, no pretenden copiarla. Se trata de un proceso muy complejo y, con un factor de conversión de alrededor del 1 por ciento, no es especialmente eficiente. Aunque es suficiente para hacer crecer las plantas, el proceso está muy lejos de lo que se necesitaría para aplicaciones técnicas y comerciales. Por ello, los investigadores buscan materiales y procesos para la producción eficiente y sostenible de sustancias químicas básicas y fuentes de energía. Esto supondría una importante contribución a la transición energética y reduciría drásticamente las necesidades de combustibles fósiles de la industria.
“Para implementar de forma eficiente la fotosíntesis artificial en forma molecular, aún tenemos que superar importantes obstáculos. Los procesos catalíticos desempeñarán un papel decisivo”, afirma Ian Sharp. En estos procesos, las reacciones químicas se aceleran mediante una sustancia (el catalizador) que no se modifica ni se consume.
«El punto central de la conversión electrónica son las interfases, porque es allí donde se encuentran los catalizadores y las moléculas reactivas». En estas interfases hay muchas lagunas de conocimiento que los investigadores quieren colmar. Para ello, desarrollan materiales adecuados y descifran los procesos de catálisis molecular y atómica. Se centran sobre todo en los materiales semiconductores, ya que poseen propiedades ópticas y electrónicas especiales: pueden captar la luz de forma eficiente y utilizar su energía para generar cargas negativas y positivas en el semiconductor. De este modo, la energía de la luz está disponible para las reacciones químicas.
Una parte importante de la investigación de Ian Sharp y su equipo se centra en la reducción del CO2 . Si esto tiene éxito, la luz solar podría utilizarse para convertir el dióxido de carbono en moléculas de importancia industrial, como hidrocarburos o alcoholes. Sin embargo, la concentración de CO2 en el aire es baja. «Para que la conversión sea posible mediante catálisis, hemos desarrollado un nanorrecubrimiento a medida», explica el profesor Sharp. «Con este truco aumentamos la concentración de CO2 en la superficie catalítica y hacemos que el gas sea más reactivo». Para convertir el CO2 de forma eficiente en un producto deseado en el siguiente paso, se necesita el material perfecto. Un examen de la lista de criterios para el material muestra que debe ser un verdadero todoterreno: tiene que ser duradero y químicamente estable, pero también capaz de absorber la mayor parte del espectro visible de forma eficiente y convertir la energía en cargas eléctricas. Además, debe ser capaz de catalizar solo la reacción química deseada y no debe contener ningún elemento tóxico.
Utilizando nanoefectos
La tabla periódica ofrece una lista interminable de combinaciones. Para acelerar la búsqueda de nuevos materiales, los investigadores utilizan técnicas de cribado de alto rendimiento y emplean inteligencia artificial para evaluar los materiales potenciales. “Además, los cálculos teóricos proporcionan indicaciones clave sobre si determinadas combinaciones de elementos serán estables y mostrarán las características ópticas deseadas”, explica la física Johanna Eichhorn. La catedrática de la Facultad de Ciencias Naturales de la TUM utiliza diversos métodos para crear materiales completamente nuevos en el laboratorio y caracterizar los principios físicos que subyacen a los procesos de conversión de energía. Uno de sus principales intereses de investigación es el rendimiento fotoeléctrico. “Así describimos la eficiencia con la que un material convierte la luz en energía eléctrica y, al mismo tiempo, podemos observar la estabilidad de un material”, explica.
Los efectos nanométricos suelen tener un impacto positivo en el rendimiento de un material.
Johanna Eichhorn
Sin embargo, las características catalíticas de un material también están determinadas en gran medida por su estructura y sus propiedades físicas. “Observamos con atención las estructuras cristalinas y, sobre todo, las zonas que se desvían de los patrones regulares”, explica Johanna Eichhorn. “A menudo, estos son los puntos de acoplamiento de las moléculas y, por tanto, el lugar donde comienzan los procesos catalíticos”. Además, estas irregularidades en la red cristalina influyen en los caminos que siguen los electrones o “huecos” y, en consecuencia, también en las reacciones. Para obtener un perfil del material con la mayor precisión posible, la investigadora utiliza un microscopio de barrido especial para acercarse a las nanoestructuras de las superficies de los semiconductores y trazar un mapa de las diferencias locales.
Al mismo tiempo, el dispositivo le permite conocer las características electrónicas en el mismo lugar. “De esta manera, podemos correlacionar la estructura y las propiedades a escala nanométrica. Esto es muy valioso porque nos da una visión macroscópica de los efectos”, explica la física. “En cada caso, vemos que los nanoefectos pueden tener un impacto positivo en el rendimiento de un material. Por eso la investigación básica en este campo es tan importante”. Lo ideal sería que Johanna Eichhorn utilizara los conocimientos adquiridos para mejorar la estabilidad y la eficiencia de los semiconductores para la división fotocatalítica del agua y, como resultado, optimizar la producción de hidrógeno.
Emiliano Cortés también investiga el impresionante efecto de los nanoefectos. Este físico del Instituto Nano de la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich, que dirige uno de los 53 grupos de investigación del clúster de conversión electrónica, está desarrollando los llamados supercristales, partículas de oro de unos 100 nanómetros (nm) de diámetro que tienen propiedades autoorganizativas y forman patrones regulares y estrechamente espaciados sobre una superficie a una distancia de tan solo 5 nm entre ellas. Estas estructuras, conocidas como plasmónicas, tienen propiedades especiales: pueden actuar como potentes lentes para concentrar la luz solar y absorber mucha más energía de la luz entrante que una superficie completamente recubierta de oro. “Entre las partículas de oro se generan campos eléctricos intensos, llamados puntos calientes”, explica el profesor Cortés. “Si colocamos nanopartículas de platino en esos lugares precisos, se genera una conversión muy eficiente del ácido fórmico en hidrógeno, fuente de energía”. Este sistema le ha valido al grupo el récord mundial actual de producción rápida de H2 utilizando la luz solar.
Descifrando reacciones químicas
Los minúsculos cúmulos de platino también son el centro de la investigación del equipo de Ulrich Heiz en la TUM. El catedrático de química física quiere determinar el número ideal de átomos de platino que necesita una nanopartícula para producir hidrógeno de forma eficiente. «Además de permitir producir los cúmulos catalíticamente activos con una precisión atómica, nuestro equipo de alta tecnología nos ayuda a estudiar cómo optimizar su posición en una superficie», explica el investigador. Los estudios sistemáticos en el clúster de excelencia e-conversion también han revelado que las reacciones fotoquímicas siguen reglas diferentes a las que se suponía hasta ahora.
“Hemos descubierto que los patrones que se conocen desde hace mucho tiempo y que rigen los procesos electroquímicos, por ejemplo, no se aplican a la fotocatálisis. La fotoquímica abre vías de reacción completamente nuevas”, afirma el profesor Heiz. Quienes las conozcan y entiendan podrán descubrir, personalizar o diseñar materiales adecuados. “Cada nuevo conocimiento mejora nuestra comprensión de la fotocatálisis y, por lo tanto, nos acerca cada vez más a una aplicación en el mundo real”, afirma. “Los equipos de conversión electrónica están aplicando enfoques de múltiples capas, profundizando en la riqueza de ideas en varios campos especializados y están extremadamente bien conectados. Esta es una excelente base para la innovación”. Revista TUM Magazine. Traducido al español
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